Temario Biología I, Apuntes de Ciencias Naturales. Universidad de Sevilla (US)
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Temario Biología I, Apuntes de Ciencias Naturales. Universidad de Sevilla (US)

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Asignatura: fundamentos de las ciencias naturales, Profesor: Nuria Pastor, Carrera: Educacion Primaria, Universidad: US
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TEMA 1: Bioquímica: La base química de la vida

Bioelementos y biomoléculas De los 92 elementos que se encuentran en la corteza terrestre, sólo unos 25 son los que componen a los seres vivos, y los llamamos bioelementos. Se clasifican según su abundancia:

Bioelementos primarios: C,H,O,N, constituyen más del 95% de la masa total, son de bajo peso molecular y forman enlaces covalentes entre ellos, compartiendo electrones. El C, elemento más abundante, puede aceptar o ceder hasta 4 electrones formando 4 enlaces.

QUÍMICA DEL C QUÍMICA ORGÁNICA

Bioelementos secundarios: S, P, Mg, Ca, Na, K, Cl, se encuentran en los seres vivos, en una proporción del 4,5%. Ej: el azufre forma parte de los aminoácidos.

Oligoelementos: Cu, F, I, Fe, Mn, Mo, Se, Zn, forman parte de todos los seres vivos aunque en una proporción muy pequeña. Pueden ser dispensables o indispensables.

Las células se forman a partir de unos cuantos tipos de átomos, que son unidades estructurales básicas de la materia. Cada elemento se compone de un tipo de átomo diferente de los átomos de otro elemento. Están formados por un núcleo con protones y neutrones, y alrededor del cual giran los electrones. Existen tres tipos de enlaces químicos:

• Enlace iónico: se forman al perder o ganar electrones, hay transferencia de electrones (anión y catión).

• Enlace covalente: se forman al compartir electrones.

• Enlace metálico: se da entre metales.

También destacan los puentes de Hidrógeno y las fuerzas de Van Der Waals.

Las biomoléculas son aquellas moléculas (unión de varios átomos, excepto los gases nobles que nos son estables) que forman parte de los seres vivos. Pueden ser:

• Inorgánicas: no son exclusivas de los seres vivos ni las tienen por qué producir (agua, sales, gases).

• Orgánicas: son exclusivas de los seres vivos (glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos). Estas biomoléculas derivan de

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esqueletos carbonados ya que el átomo de carbono pude formar muchos tipos de estructuras: lineales, ramificadas con enlaces simples, dobles… por lo que forman una gran diversidad de biomoléculas orgánicas y se agrupan en estructuras más complejas denominadas niveles de complejidad.

El agua: una extraña molécula

Es la molécula inorgánica bipolar más abundante en la materia viva (biosfera), donde la encontramos en sus tres estados, lo que permite la habitabilidad en el planeta. Representa del 70 al 95% del peso de los seres vivos. Todos las reacciones químicas que ocurren en la célula se dan en un medio acuoso, es el soporte donde surgió la vida.

Su fórmula química es H2O, está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por un enlace covalente. No tiene carga, aunque el O es más electronegativo (los electrones compartidos son atraídos hacia el O), por lo que el H tiene carga parcial positiva y el O, negativa. Por tanto, es un dipolo eléctrico y debido a la disposición tetraédrica de los orbitales sp3 del oxígeno forma un ángulo de 104,5º.

Propiedades físicas del agua: consecuencias del puente de hidrógeno

• Se establecen entre las propias moléculas de agua y con otras moléculas una uniones electrostáticas llamadas puentes de hidrógeno.

• Elevados puntos de fusión (0ºC) y ebullición (100ºC).

• Elevado calor de vaporización: energía necesaria para evaporar un gramo de agua a 20ºC y se necesitan 540 calorías.

Elevado calor específico: capacidad de almacenar energía para un aumento determinado de la temperatura.

• Elevada tensión superficial: fuerza que se establece entre dos estados diferentes. Hay insectos que se pueden mantener sobre el agua. Es consecuencia de las fuerzas de cohesión. Las fuerzas de atracción que actúan sobre una molécula de agua no se equilibran y tiran hacia el interior del líquido. El resultado es una delgada película elástica que puede deformarse sin romperse y aguantar pequeños pesos.

El agua como solvente

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El agua es un disolvente de compuestos con enlaces iónicos (sal) o covalentes polares (alcohol, azúcares). Es un mal disolvente de compuestos no polares (hidrocarburos [benceno], grasas, mantecas). Las sustancias que se disuelven en agua se llaman hidrofílicas y las que no se disuelven se llaman hidrofóbicas.

El agua se disuelve en compuestos iónicos, los iones son atraídos por los dipolos del agua. La ruptura de los enlaces iónicos provoca que los iones abandonen la red cristalina y pasen a la disolución, donde quedan atrapados por la estructura reticular del agua (capa de solvatación), lo que permite una gran cohesión, haciendo que el agua sea muy peculiar. Esta elevada cohesión hace que tenga esas propiedades, permitiendo el desarrollo de la vida

Están también las interacciones hidrofóbicas como las micelas (membranas), que son estructuras formadas por grasas que tienen una larga cola hidrófoba (apolar) y una pequeña cabeza hidrófila (polar).

La parte hidrófoba queda hacia dentro, mientras que la hidrófila, hacia el exterior. La aparición de las interacciones hidrofóbicas permitió aislar una parte del agua, evitando su disolución.

Disociación del agua

El agua pura tiene la capacidad de disociarse en iones por lo que se puede considerar una mezcla de: agua molecular (H2O), protones hidratados o iones hidrógeno (H3O+) e iones hidroxilo o hidróxido (OH- ).

H2O H3O+ + OH-

Esto sólo ocurre en el agua pura, donde la concentración de H+ es 10-7M y la de OH- es 10-7. Ambas concentraciones suman 10-14 M, lo que significa que el pH del agua es 7.

pH = - log [H+]

El producto iónico del agua constituye la base para la escala de pH que fue ideada por Sörensen para ver la concentración de H+. Si el pH es menor que 7 la solución es ácida (muchos H+ y pocos OH-), mientras que si es mayor que 7, es básica. Un aumento del pH significa un descenso de la concentración de protones.

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Las células y líquidos de nuestro cuerpo tienen un pH 7 ya que si no las enzimas dejaría de funcionar. Un pH ácido favorece la digestión. Los tampones son reguladores (conjunto de sustancias relacionadas entre sí capaces de mantener el pH constante al añadir ácidos o bases a una disolución) del pH y evitan las variaciones del mismo. Las bruscas variaciones del pH son incompatibles con la vida y afectan a la estabilidad de las macromoléculas. Actúan como tampón el bicarbonato y el fosfato que amortigua los cambios al añadir H+ o OH-.

Propiedades coligativas del agua

Son aquellas que se alteran al añadir solutos, dependiendo de la cantidad de partículas presentes y no de su naturaleza.

• Descenso del punto de congelación: si añadimos sal al hielo, se derrite antes, debido a que el punto de fusión sube.

• Aumento del punto de ebullición: al hervir agua si le echamos sal tarda más en hervir.

• Descenso de la presión del vapor:

• Presión osmótica es aquella necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable. Ósmosis: fenómeno caracterizado por el paso de agua a través de la membrana semipermeable desde la solución más diluida (hipotónica) a la más concentrada (hipertónica), hasta que las dos soluciones tengan la misma concentración. Si la concentración de la disolución extracelular es la misma que la disolución intracelular, ambas disoluciones son isotónicas.

En células animales: si los líquidos extracelulares aumentan su concentración, se hacen hipertónicos, la célula pierde agua, se deshidrata y muere, esto es conocido como plasmólisis.

En células vegetales: si los líquidos extracelulares disminuyen su concentración, se hacen hipotónicos, el agua entra en la célula y se hincha, e incluso puede estallar si no posee una membrana como los vegetales, esto es conocido como turgescencia.

Biomoléculas

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Se llaman polímeros (unidades que se repiten unidas entre sí). Todas las biomoléculas son polímeros, pero no todos los polímeros son biomoléculas.

Glúcidos, Hidratos de carbono , azúcares o polisacáridos.

Son biomoléculas orgánicas formadas por C,H,O y se definen como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas. Su fórmula molecular es Cn H2n On.

Propiedades:

• Color blanco.

• Pueden formar isómeros (moléculas de igual fórmula empírica, pero diferente estructura).

• Son oxidables.

• Pueden formar polímeros (unión de muchos monómeros gracias al enlace glucosídico).

• Solubles en agua.

• Sabor dulce.

Funciones biológicas:

• Almacenadores de combustible: almidón y glucógeno (polisacáridos).

• Elementos estructurales: celulosa (forma la pared celular de vegetales) y quitina (polisacáridos).

Estructura y clasificación de monosacáridos

Cn H2n On donde n puede ser 3-8, con dos o más grupos –OH. Pueden ser: pequeños (monosacáridos) o grandes (polisacáridos). Los monosacáridos más destacables son: glucosa, ribosa y fructosa. Los disacáridos es la unión de dos monosacáridos unidos por el enlace glucosídico. Destacan: sacarosa, lactosa, maltosa y la celobiosa. Los polisacáridos se forman por la unión de muchos monosacáridos unidos entre sí mediante el enlace glucosídico, son carbohidratos de elevado peso molecular (macromoléculas) que resultan de la polimeralización de los monosacáridos o de sus derivados, y pueden desempeñar funciones de reserva energética o estructural. La unidad que se repite es la glucosa y los más destacables son:

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Almidón: polisacárido de reserva energética, común en vegetales y se almacena en los cloroplastos. Es una mezcla de dos polímeros: amilasa y amilo-pectina.

Glucógeno: polisacárido de reserva energética de animales. Se almacena en las células del hígado y del músculo estriado.

Celulosa: polisacárido de reserva estructural y constituye la pared celular vegetal.

Quitina: polisacárido de reserva estructural que participa en la construcción de la pared celular de los exoesqueletos de los artrópodos y hongos.

Lípidos

Son biomoléculas orgánicas formados por C.H,O,P,S. Compuestos por ácidos grasos, alcoholes (glicerina), ácido fosfórico, isopreno y el esterano.

Propiedades:

• Insolubles en agua, sólidos o líquidos, con puntos de fusión bajos.

• Son oxidables ya que en su fórmula hay OH.

• Solubles en disolventes orgánicos no polares.

• Aspecto graso o aceitoso.

• Son anfipáticas (moléculas cuya mitad es soluble (hidrófila) y la otra mitad insoluble (hidrófoga)).

• Forman micelas, monocapas o bicapas.

Funciones:

• Componentes estructurales de las membranas celulares o plasmáticas.

• De reserva energética: formas de almacenamiento y transporte de combustible.

• Sirve como cubierta protectora de la superficie de muchos organismos. Por ejemplo las ceras, que impermeabilizan las hojas de las plantas.

• Sustancias relacionadas con el reconocimiento celular.

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Encontramos dos clases de lípidos:

Saturados: presentan todos los hidrógenos. Son bastantes rígidos, unidos con fuerzas de Van der Waals. Son sólidos a temperatura ambiente como la mantequilla, tocino… Poseen enlaces éster y forman jabones. Se encuentran: los ácidos grasos, triglicéridos, ceras, lípidos de membrana o complejos.

Insaturados: con dobles enlaces y pueden ser poli-insaturados. Presentan una estructura tan rígida debido a su curvatura. Son líquidos a temperatura ambiente como el aceite… Carecen de enlaces éster y no forman jabones. Agrupa a los carotenoides y los esteroides que son insolubles en agua.

Los ácidos grasos son cadenas lineales que pueden presentar enlaces simples o dobles. Pueden presentar isomería cis-trans.

• Lípidos complejos: acilglicéridos y fosfolípidos.

Los acilglicéridos son lípidos formados por la esterificación de una, dos o tres moléculas de ácidos grasos con una molécula de glicerina. Los triacilglicéridos son moléculas energéticas que guardamos para una necesidad. Son lípidos de reserva de animales y vegetales. La saponificación es la obtención de jabón a partir de los ácidos grasos (la hidrólisis con bases proporciona una mezcla de jabón y glicerina). Según su punto de fusión se clasifican en: sebos, mantecas o aceites.

Los fosfolípidos son los componentes de las membranas celulares, compuestos por una glicerina, dos ácidos grasos, un fosfato y una molécula que varía. Son moléculas anfipáticas que presentan una pequeña parte polar y una grande apolar. Pueden formar micelas y no se disuelven en agua.

• Lípidos sencillos: como el colesterol, un esteroide, que da cierta rigidez a las membranas. Molécula a partir de la cual se sintetizan otros esteroides como hormonas sexuales, corticoides…

Proteínas

Son biomoléculas orgánicas formadas por C.H,O,N,S. Se definen como polímeros funcionales de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. El enlace peptídico formado por reacciones de deshidratación conecta el grupo carboxilo (-COOH) al grupo amino (-NH2). Representan más del 50% de la masa de las células. Existen 20 aminoácidos diferentes, por lo que se pueden combinar dando múltiples proteínas. Sólo

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difieren en el grupo R o cadena lateral. Existen dos tipos de aminoácidos:

• Apolares: en el radical no hay carga y pueden ser a su vez, alifáticos (son cadenas lineales) o aromáticos (son cadenas cíclicas).

• Polares: en el radical sí hay carga y pueden ser a su vez, sin carga (son cargas parciales) o con carga neta (ácidos o bases).

Propiedades de los aminoácidos:

• Son solubles en agua.

• Presentan estereoisomería.

• Sólidos cristalinos.

• El punto de fusión dependerá de las cargas.

• Son anfóteros o anfolitos (tienen carácter ácido y básico a la vez).

• Se pueden polimeralizar.

Funciones de los aminoácidos:

• Formar proteínas.

• Mediadores locales.

• Neurotransmisores.

• Hormonas.

Propiedades de las proteínas:

• Alta especificidad: cada proteína tiene una forma concreta y una función concreta.

• Solubilidad dependerá de la forma, del tamaño y de las cargas eléctricas.

• Desnaturalización: es la pérdida de su estructura cuando se rompen sus enlaces. Hay dos tipos de naturalización:

• Reversible: no recuperan la forma.

• Irreversible: no recuperan la forma.

Funciones de las proteínas: 8

• De reserva de aminoácidos: ovoalbúmina.

• Estructural: colágeno, para formar tejidos.

• Mensajera: insulina.

• Informativa: receptores de membrana.

• Transporte: hemoglobina

• Defensa: anticuerpos.

• Motora: actina.

• Enzimática: ATP, sintetasa…

Las proteínas tienen estructura, distinguimos hasta cuatro niveles de complejidad:

Primaria: unidas por enlace covalente en una secuencia de aminoácidos. La estructura de las proteínas determina los genes.

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